中國科大解析致病菌細胞壁成分胞壁酸翻轉酶的結構和功能機制

2020-11-25 中國科大..

中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心和生命科學學院陳宇星教授、周叢照教授和孫林峰教授課題組合作闡明了金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）胞壁酸（WTA）翻轉酶TarGH轉運WTA的機制和TarGH特異性抑制劑Targocil的抑制機制。該研究成果以「Cryo-electron Microscopy Structure and Transport Mechanism of a Wall Teichoic Acid ABC Transporter」為題於2020年3月17日在線發表在微生物領域專業雜誌mBio上。

耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）是主要的臨床致病菌之一，其引發的感染難以治癒甚至可能致死。由於近年來抗生素濫用，出現了對所有的β-內醯胺類藥物都具有抗性的MRSA菌株。研究表明S. aureus細胞壁主要成分WTA是引起耐藥性的關鍵因素之一。在革蘭氏陽性菌中，WTA是一類共價連接在肽聚糖上的陰離子多聚物。WTA在細菌分裂、生物膜形成、宿主定殖以及細菌感染等過程中起著重要作用。因此，WTA合成路徑中的關鍵酶是新型抗菌藥物的重要靶點。在S. aureus中，WTA合成前體是N-乙醯葡糖胺修飾的多聚核糖醇長鏈，其通過共價鍵連接在錨定在細胞膜上的脂質載體Und-PP上。該Und-PP連接的多聚核糖醇長鏈前體先在細胞內完成合成，最後通過ABC轉運蛋白TarGH翻轉出細胞膜。作為最具潛力的抗生素靶標之一，TarGH及其抑制劑得到廣泛研究。先導化合物小分子Targocil是近期被鑑定出來特異性抑制TarGH效率較高的抑制劑，但是其抑制的分子機制並不清楚。

為闡明TarGH轉運WTA的機理以及Targocil的抑制機制，作者用冷凍電鏡方法，解析了金黃色葡萄球菌WTA翻轉酶TarGH的同源蛋白，來自Alicyclobacillus herbarius菌的TarGH結構。其同源性為50%。TarGH結構總體解析度為3.9 Å，其核心結構區域解析度達到3.6Å。由於未結合ATP，TarGH結構處於開口朝向細胞內的構象狀態。基於結構，作者計算出了底物轉運通道，通過對組成通道的胺基酸殘基性質分析並結合生理實驗，闡明了底物特異性識別機制。通過結構比對作者提出TarGH及其同源蛋白利用「曲柄連杆」原理來實現底物轉運的分子機制。具有類似結構特點的ABC轉運蛋白都可以利用這一機制通過相對微小的總體構象變化轉運較大的底物。作者進一步通過生化實驗和計算機模擬確定了Targocil結合TarGH的精確位點，並闡明了其抑制TarGH轉運胞壁酸的分子機制。研究結果將為設計和優化針對MRSA的新型抗生素提供結構基礎和理論指導。

中國科大陳宇星教授、周叢照教授和孫林峰教授為該論文的共同通訊作者。博士畢業生陳黎和特任副研究員侯文韜為該論文的共同第一作者。晶體衍射數據收集在上海光源完成。冷凍電鏡數據收集工作在中科院生物物理所生物成像中心完成。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助。

文章連結：https://mbio.asm.org/content/11/2/e02749-19


（中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心、生命科學與醫學部、科研部）

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